2022年12月14日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）在核聚变领域取得了历史性的突破，首次实现了可控核聚变点火成功，这标志着人类向着获取清洁能源的“圣杯”迈出了坚实的步伐。
一、点火概念
核聚变点火是指在核聚变反应中，产生的能量超过了输入的能量，即实现了能量增益。这通常涉及到将两个较轻的原子核，如氢的同位素氘和氚，融合形成一个较重的原子核，如氦，同时释放出巨大的能量。核聚变点火是实现可控核聚变的关键步骤，因为只有当反应产生的能量超过激发反应所需的能量时，才能实现自持的聚变反应，从而为人类提供几乎无限的清洁能源。
二、点火原理
在20世纪60年代，LLNL的一群科学探险家们大胆猜测：或许能用激光在实验室里“点燃”星星。这听起来像是科幻小说的情节，但物理学家John Nuckolls带领团队，将这个点子变成了现实，开启了惯性约束核聚变的新篇章。
LLNL的科学家们像升级打怪一样，一步步打造出了越来越强大的激光系统，最终诞生了世界上最大的“激光怪兽”——NIF。
美国的可控核聚变实验已经成功“点火”了四次，不仅刷新了纪录，还登上了Nature杂志，连项目的首席女科学家都被评为年度十大人物之一。
在这些实验中，科学家们用激光模拟了太阳核心的环境，把重氢同位素氘和氚融合成氦。他们把氢气小球放入一个胡椒粒大小的装置，然后用192束强大的激光加热和压缩这些氢燃料。
当激光进入装置后，它们会击中内壁，产生X射线，这些X射线将氢气加热到1亿摄氏度——比太阳核心还要热，压力也达到了地球大气压的1000亿倍。
高能激光让小球表面变成了等离子体，而中心的材料在牛顿第三定律的作用下向内坍缩，最终发生了内爆。只要给燃料球提供合适的高温高压，就会引发链式反应——也就是我们说的“点火”，然后就会释放出巨大的能量。
简单来说，这个过程就像是在实验室里重现了太阳的诞生：用激光创造出一个微型太阳，让氢原子在高温高压下融合，释放出巨大的能量。这个能量增益的过程，就是我们所说的“点火”。虽然听起来很简单，但实现起来却需要极其精确的控制和强大的技术力量。
三、实验和研究进展
经过超过十年的不懈追求和挑战，美国国家点火装置（NIF）的科学家们在2022年12月迎来了历史性的时刻，在聚变反应中产生了超过输入能量的输出能量。更令人振奋的是，这一成就并非昙花一现，NIF团队通过连续多次实验，证明了点火的成功是可重复的。这一突破性进展，激发了美国政府进一步推动科学发展的决心，总统乔·拜登宣布将建立三个研究中心，以加速这一领域的研究。
NIF位于加利福尼亚州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL），在最近六次的实验尝试中，有四次成功达到了点火的目标。这些实验产生的高温高压环境，甚至超过了太阳内部的条件。
LLNL惯性约束聚变科学项目的负责人，物理学家理查德·汤恩（Richard Town）表示：“我们有充分的理由为我们的成就感到自豪。”
NIF的建立初衷并非为了发电，而是为了模拟和研究自1992年美国停止地下核试验以来的热核爆炸过程。如今，通过提高聚变产率，NIF不仅推动了核武器研究，也点燃了人们对于聚变作为未来无限清洁能源的希望。美国总统气候特使约翰·克里在迪拜举行的COP28气候峰会上，呼吁建立新的国际伙伴关系，以推进聚变能源的发展。
威廉玛丽大学的物理学家萨斯基亚·莫迪克（Saskia Mordijck）认为，NIF的成功对核聚变领域以及公众的认知产生了深远的影响。“科学家们承诺他们能够做到，然后他们真的做到了，这在很多层面上都非常重要。”
四、技术挑战与创新
NIF的四次成功点火，不仅连续刷新了纪录，更是在核聚变领域树立了新的里程碑。然而，在这辉煌成就的背后，隐藏着一系列严峻的挑战和创新的解决方案。
光学元件的增强：如何让激光器提供巨大能量的同时，保护NIF中那些珍贵的光学元件不受碎片损伤，是一个巨大的技术难题。值得庆幸的是，NIF拥有世界上唯一能在损伤阈值以上运行的激光系统，这在很大程度上得益于LLNL研发的光学回收循环系统。
2023年6月，NIF完成了两项关键的改进措施，为实现2.2兆焦耳的输入能量奠定了基础。这包括在NIF三分之二的光束线上使用熔融二氧化硅碎片屏蔽，以及在32条下半球光束线上安装金属屏蔽，这些改进将碎片引起的损伤率降低了10到100倍。
除此之外，NIF还采用了新的抗反射涂层、蒸汽六甲基二硅氨烷（HMDS）处理，增加了光学回收循环容量，并引入了新的"灰边阻断器"，以解决一些尚未完全确定的问题。
HiFiPS系统：要维持NIF在科学领域的突破，单靠增加能量是不够的。激光脉冲的持续时间仅为几十亿分之一秒，因此需要极高的精确度才能达到理想的聚变效果。为此，NIF团队完成了高保真脉冲整形（HiFiPS）系统的部署，这一历时多年的项目能够实现更精确、更准确的脉冲整形，进而在内爆中实现更好的功率平衡和对称性控制。
NIF团队还翻新了设施中的光纤，使其更能承受反复的中子暴露。这些光纤用于精确测量传递给目标的激光脉冲。翻新后，信号强度提高了10到100倍，使研究人员能够更准确地监测激光性能。
尽管如此，从目前的技术水平到实现向电网提供聚变能源，仍然有很长的路要走。NIF的激光系统效率极低，在每次点火中，有超过99%的能量在到达目标前就已经损失殆尽。
为了解决这一问题，美国能源部（DOE）新启动了惯性聚变研究计划，并宣布将在四年内投入4200万美元，建立三个新的研究中心，以开发更高效的激光系统。这些中心将包括国家实验室、大学研究人员和行业合作伙伴，共同推动聚变能源的研究和应用。
这一系列的挑战和创新，不仅展示了NIF在核聚变领域的领导地位，也彰显了人类在探索和利用这一清洁能源方面的坚定决心和不懈努力。随着技术的不断进步和创新，我们有理由相信，核聚变能源的商业化和规模化应用将不再遥远，它将为全人类的可持续发展提供强大的动力。
五、核聚变点火的意义
核聚变点火的成功，标志着人类在追求清洁、可持续能源的道路上迈出了关键的一步。这一成就不仅证明了核聚变作为一种强大能源的潜力，还展示了通过国际合作和科技创新，我们可以克服能源危机，实现能源安全。点火实验的成功，不仅为科学研究提供了新的方向，也为经济发展和环境可持续性开辟了新的可能性。
参考链接：
- https://www.163.com/dy/article/IM6CER29055246AF.html
- https://www.ithome.com/0/739/722.htm
- https://zhuanlan.zhihu.com/p/676467944
- https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_16479408
- https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2023/2/373074.shtm